1.一种单输入单输出时滞系统的分数阶PID控制方法,其特征在于,具体步骤如下:(1)在系统进入分数阶PID控制器的设计之前,先利用工控系统对控制对象进行自动继电反馈辨识,得到具有如下传递函数的被控对象模型其中, ai,bi,αi,βi,i=0,1,2,…,n为任意实数且满足βn>…>β1>β0≥0,αn>…>α1>α0≥0和αn>βn。
(2)适当地选取分数阶PID控制器C(s)=kp+ki/sλ+kdsμ中的积分阶次λ和微分阶次μ,使其满足条件0<λ<2和0<μ<2。
(3)对于给定的λ,μ,根据被控对象的模型参数,通过遍历一个控制参数,计算二维平面上关于另外两个控制参数的稳定域边界线。参数空间的边界线由下述三部分组成:(a)实根边界(RRB):ki=0
(b)无限边界(IRB):存在三种无限边界线当βn+μ>αn时,IRB曲线为kd=0;
当βn+μ=αn时,IRB曲线可以表示为-an/bn≤kd≤an/bn;
当βn+μ<αn时,IRB曲线不存在。
(c)复根边界(CRB):
当λ+μ≠2时,采用3-D法计算复根边界线;
当λ+μ=2时,采用奇异频率法来计算复根边界线。
(4)通过判断实根边界(RRB)、无限边界(IRB)和复根边界(CRB)的哪一侧具有更少的不稳定极点,确定被这些边界线所分割的哪个区域是控制参数的稳定域。本发明根据以下规则确定稳定域位于边界线的哪一侧:(a)当λ+μ<2时,沿着ω增大的方向,稳定域位于边界线的左侧;
(b)当λ+μ>2时,沿着ω增大的方向,稳定域位于边界线的右侧;
(c)当λ+μ=2时,按以下规则判别:
(I)若ki>0,则kp>[f1(ω)sin(ωθ)+f2cos(ωθ)]ω=0;
(II)若ki<0,则kp<[f1(ω)sin(ωθ)+f2cos(ωθ)]ω=0;
(III)当所有ωη∈Ω+时,ki<ωη2kd+g(ωη)+h(ωη);
(IV)当所有ωη∈Ω-时,ki>ωη2kd+g(ωη)+h(ωη);
其中,
Ω+={ωη∈R+|f(ωη)-kp=0^f′(ωη)>0}Ω-={ωη∈R+|f(ωη)-kp=0^f′(ωη)<0}f(ω)=f1(ω)sin(ωθ)+f2cos(ωθ)(5)基于步骤(3)和(4)中求解控制参数稳定域的算法和GUI开发软件在工控机中实现分数阶PID控制器的调节、仿真,建立分数阶PID控制器监控模块,用户界面能够进行被控对象模型的参数输入,超调、幅值裕度和相位裕度等性能指标的设置,控制参数稳定域和系统输出响应曲线的显示,并通过鼠标点击所获得的控制参数区域中各组不同的控制参数值,给出所对应的输出响应曲线及系统各性能指标的值。若不满足预定的性能指标值,则重新选取控制参数,若满足,则可切换到在线控制状态,直接对被控对象进行控制。
2.根据权利要求1所述的单输入单输出时滞系统的分数阶PID控制方法,其特征在于所述的步骤(3)中,(a)当λ+μ≠2时,采用3-D法计算复根边界线,边界线表达式为其中,
(b)当λ+μ=2时,采用3-D法无法计算出复根边界线,采用奇异频率法来计算复根边界线。边界线表达式为其中,
RA和IA分别表示在s=jω时N(s)的实部和虚部,RB和IB分别表示在s=jω时λs D(s)的实部和虚部。